Wykorzystanie sztucznej inteligencji do przywrócenia „neandertalskich antybiotyków”

Zagrożenie ze strony bakterii opornych na antybiotyki

Według WHO, biorąc pod uwagę, że na świecie każdego roku umiera prawie 5 milionów osób z powodu bakterii opornych na antybiotyki, niezwykle pilna staje się potrzeba znalezienia potencjalnych leków, które pomogą poradzić sobie z tą sytuacją.

Zespół pod kierownictwem pioniera biotechnologii Césara de la Fuente wykorzystuje metody obliczeniowe oparte na sztucznej inteligencji (AI) do eksploracji cech genetycznych wymarłych krewnych człowieka, takich jak neandertalczycy, w celu opracowania antybiotyków sprzed 40 000 lat.

Model wymarłego gatunku neandertalczyka. Zdjęcie: Getty

Dzięki badaniom naukowcy odkryli szereg małych cząsteczek białek i peptydów, które mają zdolność zwalczania bakterii, co może utorować drogę do opracowania nowych leków zwalczających infekcje u ludzi.

Antybiotyki (takie jak penicylina) to te, które są produkowane naturalnie (przez inne mikroorganizmy przeciwdrobnoustrojowe), natomiast nieantybiotykowe środki antybakteryjne (takie jak sulfonamidy i antyseptyki) to te, które są całkowicie syntetyczne.

Jednak oba mają ten sam cel, jakim jest zabijanie lub zapobieganie rozwojowi mikroorganizmów, i oba wchodzą w zakres chemioterapii przeciwdrobnoustrojowej. Środki przeciwbakteryjne obejmują antyseptyki, mydła antybakteryjne i detergenty chemiczne; natomiast antybiotyki to bardziej wyspecjalizowany rodzaj środków przeciwbakteryjnych stosowanych w medycynie, a czasami w paszach dla zwierząt.

Antybiotyki nie działają na wirusy wywołujące choroby takie jak przeziębienie czy grypa, dlatego leki hamujące rozwój wirusów nazywane są lekami przeciwwirusowymi lub lekami przeciwwirusowymi, a nie antybiotykami.

„Pozwala nam to odkryć nowe sekwencje, nowe rodzaje cząsteczek, których nigdy wcześniej nie zaobserwowano w organizmach żywych, co otwiera nam drogę do szerszego spojrzenia na różnorodność molekularną” – powiedział dr Cesar de la Fuente z Uniwersytetu Pensylwanii (USA), który kierował zespołem badawczym. „Dzisiejsze bakterie nigdy nie były narażone na działanie tych nowych cząsteczek, więc może to być dobra okazja do walki z trudnymi do wyleczenia patogenami”.

Eksperci twierdzą, że pilnie potrzebne są nowe odkrycia dotyczące bakterii opornych na antybiotyki. „Świat stoi w obliczu kryzysu oporności na antybiotyki… Jeśli musimy cofnąć się w czasie, aby znaleźć potencjalne rozwiązania na przyszłość, jestem za” – powiedział Michael Mahan, profesor biologii molekularnej, komórkowej i rozwojowej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.

Sugestie z „Parku Jurajskiego”

Większość antybiotyków pochodzi z bakterii i grzybów, odkrytych w wyniku badań mikroorganizmów żyjących w glebie. Jednak w ostatnich dekadach nadużywanie antybiotyków doprowadziło do wykształcenia się oporności patogenów.

W ciągu ostatniej dekady De la Fuente wykorzystywał metody obliczeniowe do oceny potencjału różnych peptydów jako alternatywy dla antybiotyków. Pewnego dnia w laboratorium narodził się hit kinowy „Jurassic Park”, co dało zespołowi pomysł na badanie wymarłych cząsteczek. „Dlaczego nie przywrócić cząsteczek z przeszłości?” – zapytał.

Aby znaleźć nieznane wcześniej peptydy, zespół wytrenował algorytm sztucznej inteligencji (AI) do rozpoznawania fragmentów w ludzkich białkach, które mogą mieć działanie antybakteryjne. Następnie naukowcy zastosowali go do publicznie dostępnych sekwencji białkowych pochodzących od Homo sapiens, neandertalczyków i denisowian, kolejnego archaicznego gatunku człowieka blisko spokrewnionego z neandertalczykami.

Następnie zespół wykorzystał właściwości poprzednich peptydów antybakteryjnych, aby przewidzieć, które starożytne peptydy najprawdopodobniej zabijają bakterie.

Następnie zespół zsyntetyzował i przetestował 69 najbardziej obiecujących peptydów, aby sprawdzić, czy mogą one zabijać bakterie. Zespół wybrał sześć najskuteczniejszych, w tym cztery pochodzące od współczesnych ludzi, jeden od neandertalczyków i jeden od denisowian.

Zespół wystawił je na kontakt z myszami zakażonymi bakterią Acinetobacter baumannii, częstą przyczyną zakażeń szpitalnych u ludzi. (Zakażenie szpitalne to infekcja, której pacjent nabawia się podczas pobytu w szpitalu i której nie miał w momencie przyjęcia).

Spośród sześciu peptydów wybranych przez algorytm, jeden pochodzący od neandertalczyka okazał się najskuteczniejszy w zwalczaniu patogenów u myszy zakażonych bakteriami, twierdzi pionier biotechnologii César de la Fuente z University of Pennsylvania. (Zdjęcie: University of Pennsylvania)

„Myślę, że jednym z najbardziej ekscytujących momentów było chemiczne odtworzenie cząsteczek w laboratorium, a następnie przywrócenie ich do życia po raz pierwszy. Z naukowego punktu widzenia było to niesamowite” – powiedział De la Fuente.

U myszy z ropniami skóry peptydy aktywnie zabijały bakterie; u myszy z infekcjami uda peptydy były mniej skuteczne, ale nadal zapobiegały rozwojowi bakterii.

„Najlepszym peptydem okazał się ten, który nazwaliśmy Neanderthal 1, pochodzący od neandertalczyków, i to on najlepiej sprawdził się u myszy” – powiedział De la Fuente.

Potrzebne są dalsze badania

Pan De la Fuente podkreślił jednak, że żaden z peptydów nie jest „gotowy do użycia jako antybiotyk”, a wręcz przeciwnie – wymagałby wielu modyfikacji. W badaniu, którego wyniki mają zostać opublikowane w przyszłym roku, on i jego współpracownicy opracowali nowy model głębokiego uczenia (ang. deep learning), aby zbadać sekwencje białek 208 wymarłych organizmów, dla których dostępne były szczegółowe informacje genetyczne.

Zespół odkrył ponad 11 000 wcześniej nieodkrytych potencjalnych peptydów przeciwdrobnoustrojowych, występujących wyłącznie u wymarłych organizmów, syntetyzując najbardziej obiecujące peptydy pochodzące od mamuta włochatego syberyjskiego, syreny morskiej Stellera (ssaka morskiego, który wyginął w XVIII wieku w wyniku polowań w Arktyce), leniwca olbrzymiego i łosia olbrzymiego (Megaloceros giganteus). Stwierdził, że nowo odkryte peptydy wykazują „doskonałą aktywność przeciwzakaźną” u myszy.

Dr Dmitrij Ghilarow, kierownik zespołu w Centrum Johna Innesa w Wielkiej Brytanii, powiedział, że wąskim gardłem w poszukiwaniu nowych antybiotyków jest ich niestabilność i trudności w syntezie. „Wiele z tych antybiotyków peptydowych nie jest opracowywanych i badanych przez przemysł z powodu trudności, takich jak toksyczność” – powiedział Ghilarow.

Według artykułu opublikowanego w maju 2021 r., spośród 10 000 obiecujących związków zidentyfikowanych przez naukowców, tylko jeden lub dwa antybiotyki otrzymały zatwierdzenie amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków.

Dr Monique van Hoek, profesor i zastępca dyrektora ds. badań w Szkole Biologii Systemów na Uniwersytecie George’a Masona (USA), powiedziała, że ​​bardzo rzadko zdarza się, aby peptyd występujący w naturze bezpośrednio tworzył nowy lek lub inny nowy antybiotyk.

Według Van Hoeka odkrycie nowego peptydu stworzy naukowcom możliwość wykorzystania technik obliczeniowych w celu zbadania i zoptymalizowania potencjału peptydu jako nowego antybiotyku.

Van Hoek koncentruje obecnie swoje badania nad syntetycznym peptydem uzyskanym z naturalnego peptydu występującego u aligatorów amerykańskich. Peptyd przechodzi obecnie badania przedkliniczne.

Pani Van Hoek twierdzi, że choć pozyskiwanie nowych antybiotyków od wymarłych krokodyli lub ludzi może wydawać się dziwne, to jednak ze względu na skalę problemu oporności bakterii na antybiotyki, takie badania są warte zachodu.

Hoai Phuong (według CNN)

Źródło: https://www.congluan.vn/chong-khang-khang-sinh-y-tuong-tu-ai-va-nguoi-neanderthal-da-tuyet-chung-post276832.html